bzoj4520 CQOI2016 K远点对

本文提出一种确定性算法,用于求解给定点集中第K大的点对欧氏距离的平方,通过构建凸包和利用四边形不等式性质优化最远点对查询,实现O(NKlog(N))复杂度。

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题意:给定NNN个点,求欧几里得距离第KKK大的点对的欧几里得距离的平方。
数据范围:1≤N≤1051\leq N \leq 10^51N1051≤K≤1001\leq K \leq 1001K100K≤N×(N−1)2K\leq \frac{N\times (N-1)}{2}K2N×(N1)0≤Xi,Yi<2310\leq X_i,Y_i< 2^{31}0Xi,Yi<231,时限3s3s3s

做法:网上大多都是随机化,要么是不太能给出复杂度证明的k-d树。这里我写了一个确定性的做法,且有稳定的复杂度。
我们考虑这样做,每次跑出一个凸包,然后在这个凸包上跑最远点对,然后把最远点对的一个点删掉,继续这样跑,跑KKK次,我们发现第KKK远的点对一定有一个点在这KKK个点里了,那我们拿一个堆维护,O(NKlog(K))O(NKlog(K))O(NKlog(K))的扫一遍就可以得出答案了,我们的总复杂度是O(NKlog(N))O(NKlog(N))O(NKlog(N)),然后我们就得到了不知道几分的好成绩……
考虑优化这个东西,我们发现这个凸包每次只需要O(N)O(N)O(N)的时间复杂度,因为我们可以从(−1,−1)(-1,-1)(1,1)对这些点极角排序,然后跑两遍凸包算法一拼就求出凸包了。然后关键就在于这个求最远点对,这里有一个算法能把它从Nlog(N)Nlog(N)Nlog(N)优化到O(N)O(N)O(N)
这个算法利用了四边形不等式的性质,四边形不等式的定义是如果一个矩阵,满足对于任意一个2×22\times22×2的子矩阵,假设是
[abcd] \left[ \begin{matrix} a & b \\ c & d \\ \end{matrix} \right] [acbd]
都有a+d≥b+ca+d\geq b+ca+db+c,就称这个矩阵满足四边形不等式。这个性质可以推出对于任意一个子矩阵,左上角加右下角一定大于等于左下角加右上角,证明就是将这个子矩阵包含的所有2×22\times 22×2的矩阵的a+d−b−ca+d-b-ca+dbc加起来,刚好就能得到这个结果。顺便提一句,四边形不等式其实更多在dp中起优化作用,类似的有决策单调性,在矩阵里有完全单调性与之对应,满足的是任意两行两列的交点若有左上小于右上,则有左下小于右下。这个有什么用呢?很明显,满足四边形不等式的矩阵肯定满足这个完全单调性。
我们发现这里凸包的距离矩阵似乎也满足这个性质,假设我们对于一个2×22\times 22×2的矩阵,左上角在(i,j)(i,j)(i,j),满足的就是dis(pi,pj)+dis(pi+1,pj+1)≥dis(pi,pj+1)+dis(pj,pi+1)dis(p_i,p_j)+dis(p_{i+1},p_{j+1})\geq dis(p_i,p_{j+1})+dis(p_j,p_{i+1})dis(pi,pj)+dis(pi+1,pj+1)dis(pi,pj+1)+dis(pj,pi+1),画个图就很直观了:
在这里插入图片描述
这里我们可以利用三角形两边之和大于第三边,有:
AE+BE≤ABAE+BE\leq ABAE+BEABCE+DE≤CDCE+DE\leq CDCE+DECD
相加可得AE+BE+CE+DE≤AB+CDAE+BE+CE+DE\leq AB+CDAE+BE+CE+DEAB+CD
刚好就是上面这个式子,但是这样就完了吗,直觉告诉你并没有,这里有一个反例就是i=ji=ji=j的时候,如图:
在这里插入图片描述
其实这个也很好解决,我们可以把这个矩阵的主对角线以下的部分平移到另一部分的右边,剩下的地方用−∞-\infin填充,如图:
在这里插入图片描述
这个矩阵就满足四边形不等式了。
然后这里有一个神仙算法把这个矩阵每一行的最大值用O(n+m)O(n+m)O(n+m)的时间复杂度求出,因为我们有刚才的结论,我们发现每行的最大值位置是单调上升的,这个可以用我们推出的完全单调性证明,因为对于第iii行的最大值位置xxx前面都满足Ai,j≥Ai,xA_{i,j}\geq A_{i,x}Ai,jAi,x,然后我们就发现Ai+1A_{i+1}Ai+1肯定也有这些式子,所以易证这是单调的。
我们发现n×mn\times mn×m的矩阵明显不好,我们想个办法把mmm减到nnn,这里我们可以把矩阵变成这样:我们找出一些行使得Ai,i≥Ai,i+1A_{i,i}\geq A_{i,i+1}Ai,iAi,i+1,这样我们就是一个n×nn\times nn×n的矩阵了。
这里举个例子,比如矩阵
[1.2.53421248911109361113161514] \left[ \begin{matrix} 1.&2.&5&3&4&2 &1\\ 2&4&8&9&11&10&9\\ 3&6&11&13&16&15&14\\ \end{matrix} \right] 1.232.465811391341116210151914
这个矩阵好像具备刚才的性质,我们来消一下,首先我们选择第一行的第一个和第二个位置,发现1<21<21<2,好第一行明显没用了,删。
[2.5.34214891110961113161514] \left[ \begin{matrix} 2.&5.&3&4&2 &1\\ 4&8&9&11&10&9\\ 6&11&13&16&15&14\\ \end{matrix} \right] 2.465.811391341116210151914
然后我们继续,发现2<52<52<5,删
[5.3.42189111091113161514] \left[ \begin{matrix} 5.&3.&4&2 &1\\ 8&9&11&10&9\\ 11&13&16&15&14\\ \end{matrix} \right] 5.8113.91341116210151914
然后我们继续,发现5>35>35>3了,555这一排可能是有用的,留着,进第二排。
[5342189.11.1091113161514] \left[ \begin{matrix} 5&3&4&2 &1\\ 8&9.&11.&10&9\\ 11&13&16&15&14\\ \end{matrix} \right] 581139.13411.16210151914
这里9<119< 119<11,这时候我们就把999这列删了,然后我们发现前一列可能不满足条件,于是退后一列
[5.4.2181110911161514] \left[ \begin{matrix} 5.&4.&2 &1\\ 8&11&10&9\\ 11&16&15&14\\ \end{matrix} \right] 5.8114.1116210151914
发现5>45>45>4,这里我们对555放心了,可以继续往下做,注意这里如果555比较小的话下场是和之前1,21,21,2下场一样的。
下一步就是
[5421811.10.911161514] \left[ \begin{matrix} 5&4&2 &1\\ 8&11.&10.&9\\ 11&16&15&14\\ \end{matrix} \right] 5811411.16210.151914
发现11>1011>1011>10,过
[5421811109111615.14.] \left[ \begin{matrix} 5&4&2 &1\\ 8&11&10&9\\ 11&16&15.&14.\\ \end{matrix} \right] 58114111621015.1914.
这里15>1415>1415>14,大没有留141414之必要,删掉,
[54281110111615] \left[ \begin{matrix} 5&4&2\\ 8&11&10\\ 11&16&15\\ \end{matrix} \right] 58114111621015
注意如果151515较小也需要后退一排,然后消出来可能不足nnn列,找出一些补齐即可。
这里我们说一下这个做法的证明,不难发现我们消到第mmm列的时候,有∀1≤i≤m∀i≤j≤mAi,j≥Ai,j+1\forall _{1\leq i\leq m}\forall _{i\leq j\leq m}A_{i,j}\geq A_{i,j+1}1imijmAi,jAi,j+1,证明也很简单,消掉一些行的四边形不等式因为我们推出的第一个结论,肯定还是满足四边形不等式,然后因为我们构造的矩阵满足∀1≤i≤mAi,i≥Ai,i+1\forall _{1\leq i\leq m}A_{i,i}\geq A_{i,i+1}1imAi,iAi,i+1,再将四边形不等式的定义式拿出来变化一下就有a−b≥c−da-b\geq c-dabcd,我们就能得到前几行也肯定是满足Ax,i≥Ax,i+1A_{x,i}\geq A_{x,i+1}Ax,iAx,i+1,而一行反过来的话(Ax,i≤Ax,i+1A_{x,i}\leq A_{x,i+1}Ax,iAx,i+1),类比的我们可以得到后几行也一定是这样,这样的话我们就可以遇到第Am,m+1≥Am,mA_{m,m+1}\geq A_{m,m}Am,m+1Am,m时就可以大胆删了。复杂度的话每次是每选中一行,比较的右边的那个位置就+1+1+1,每个选中时的列产生的贡献只会最多退回一次,所以就是O(n+m)O(n+m)O(n+m)的。
既然有上面这个就好办多了,每次我们对n×nn\times nn×n的,把奇数行拿出来一跑,最后一块扫一遍得到偶数的答案。
时间复杂度的递归式:T(n)=T(n2)+O(n)T(n)=T(\frac{n}{2})+O(n)T(n)=T(2n)+O(n),即O(n)O(n)O(n)
然后这题我们就做完了!
时间复杂度:O(Nlog(N)+NKlog(K))O(Nlog(N)+NKlog(K))O(Nlog(N)+NKlog(K)),瓶颈在最后的堆。
代码又慢又臭又长:

#include<iostream>
#include<cstring>
#include<cassert>
#include<cmath>
#include<map>
#include<set>
#include<queue>
#include<stack>
#include<vector>
#include<cstdio>
#include<time.h>
#include<algorithm>
using namespace std;
#define REP(i,x,y) for(ll i=x;i<=y;i++)
#define rep(i,n) REP(i,1,n)
#define rep0(i,n) REP(i,0,n-1)
#define repG(i,x) for(ll i=pos[x];~i;i=e[i].next)
#define ll long long
#define db double
const ll N=1e6+7;
const ll INF=9223372036854775806;
ll n,k,sz;
struct pt{ll x,y;}p[N],g[N];
ll s[N],dw[N],z[N];
bool is[N],e[N];
ll Sq(ll x){return x*x;}
ll dis(pt a,pt b){return Sq(a.x-b.x)+Sq(a.y-b.y);}//算欧几里得距离
ll qdis(ll a,ll b){
 if(a==b)return 0;
 if(a>b||b>a+sz)return -INF;
 if(b>sz)b-=sz;
 return dis(g[a],g[b]);//矩阵查询
}
bool cmp2(ll x,ll y){return x>y;}
bool cmp(pt a,pt b){return (b.x+1)*(a.y+1)<(b.y+1)*(1+a.x);}
bool cross(pt a,pt b,pt c){return (b.y-a.y)*(c.x-b.x)<=(b.x-a.x)*(c.y-b.y);}
vector<ll>v1[50],v2[50],d[50],w[50];
void work(ll x){
 if(v1[x].size()<3){//递归边界
  rep0(i,v1[x].size()){
   ll mx=0,p;
   rep0(j,v2[x].size()){
    ll o=qdis(v1[x][i],v2[x][j]);
    if(o>mx){
     mx=o;
     p=j;
    }
   }
   d[x].push_back(p);
  }
  return;
 }
 w[x].clear();
 ll li=0,h=1;
 w[x].push_back(0);
 while(h<v2[x].size()){//将n*m矩阵转成n*n
  if(qdis(v1[x][li],v2[x][w[x][w[x].size()-1]])<qdis(v1[x][li],v2[x][h])){
   w[x].pop_back();
   if(li)li--;
   else{
    w[x].push_back(h);
    h++;
   }
  }
  else{
   if(li<v1[x].size()-1){
    w[x].push_back(h);
    li++;
   }
   h++;
  }
 }
 rep0(i,v2[x].size())e[i]=0;
 rep0(i,w[x].size())e[w[x][i]]=1;
 ll nw=v1[x].size()-w[x].size();
 w[x].clear();
 rep0(i,v2[x].size()){
  if(e[i])w[x].push_back(i);
  else if(nw)w[x].push_back(i),nw--;
 }
 v2[x+1].clear();
 v1[x+1].clear();
 rep0(i,w[x].size())v2[x+1].push_back(v2[x][w[x][i]]);
 rep0(i,v1[x].size())if(i&1)v1[x+1].push_back(v1[x][i]);//拿出奇数行
 work(x+1);//递归
 d[x].clear();
 ll tp=0;
 rep0(i,v1[x].size()){//确定答案
  if(i&1)tp=d[x+1][i/2],d[x].push_back(w[x][tp]);
  else{
   ll hp=(i==v1[x].size()-1)?v1[x].size()-1:d[x+1][i/2],mx=0,p;
   REP(j,tp,hp){
    ll o=qdis(v1[x][i],v2[x][w[x][j]]);
    if(o>mx)mx=o,p=j;
   }
   d[x].push_back(w[x][p]);
  }
 }
}
priority_queue<ll,vector<ll>,greater<ll> >Q;
int main(){
 scanf("%lld%lld",&n,&k);
 rep(i,n)scanf("%lld%lld",&p[i].x,&p[i].y);
 if(n<400){
  ll cnt=0;
  rep(i,n)rep(j,i-1)s[++cnt]=dis(p[j],p[i]);
  sort(s+1,s+cnt+1,cmp2);
  printf("%lld\n",s[k]);
  return 0;
 }
 sort(p+1,p+n+1,cmp);
 rep(u,k){
  ll tp=0,cnt=0;
  rep(i,n){
   if(is[i])continue;
   while(cnt>1&&cross(p[s[cnt-1]],p[s[cnt]],p[i]))cnt--;
   s[++cnt]=i;
  }
  rep(i,cnt)g[i]=p[s[i]],z[i]=s[i];
  for(ll i=s[cnt];i;i--){
   if(is[i])continue;
   while(tp>1&&cross(p[s[tp-1]],p[s[tp]],p[i]))tp--;
   s[++tp]=i;
  }
  REP(i,2,tp-1)g[++cnt]=p[s[i]],z[cnt]=s[i];
  sz=cnt;
  v1[1].clear();
  v2[1].clear();
  rep(i,sz)v1[1].push_back(i);
  rep(i,sz*2)v2[1].push_back(i);
  work(1);
  ll id,mx=0;
  rep(i,sz){
   ll o=qdis(i,v2[1][d[1][i-1]]);
   if(o>mx)mx=o,id=i;
  }
  is[z[id]]=1;
  dw[u]=z[id];
 }
 ll gg=0;
 memset(is,0,sizeof(is));
 rep(i,k){//堆计算答案
  rep(j,n){
   if(is[j])continue;
   if(gg<k)Q.push(dis(p[dw[i]],p[j])),gg++;
   else{
    ll o=dis(p[dw[i]],p[j]);
    if(o>Q.top()){
     Q.push(o);
     Q.pop();
    }
   }
  }
  is[dw[i]]=1;
 }
 printf("%lld\n",Q.top());
 return 0;
}

我才不会告诉你我是前几天集训的时候学的这个算法

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